1.1 单片机及其发展概况(课件）-《单片机技术与应用》同步教学（电子工业版）

1.1 单片机及其发展概况 什么是单片机？ 在一块集成电路芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM(EEPROM、Flash Memory)）和输入/输出接口（并行I/O，串行接口）、振荡电路、计数器等电路，从而构成了单芯片微型计算机。 这样一块集成电路具有一台计算机的基本功能，因而被称为单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，简称单片机，也被称为微控制单元或者微控制器（MCU），MCU(MicroControllerUnit)。 前 言 从单片机的概念我们可以知道： 1、单片机是一块集成电路。 2、内部具有计算机硬件系统（软件系统就依靠我们自己根据不同需要编写程序，再下载到内部的存储器中） 2.单片机和CPU、PLC的关系 MCU = CPU + 常用功能电路 PLC = MCU + 功能电路+驱动电路 区别： PLC快捷、可靠，但成本较高；单片机系统成本低、效益高，但要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定可靠。 3.常见的单片机 51兼容系列 Intel-51系列、华邦的8位机、Philips…… PIC兼容系列 Microchip的PIC、MDT20XX系列、义隆EM78系列…… 其他系列 Motorola、AVR、Scenix、EPSON、TOSHIBA 、Zilog、NS、NEC、MSP430、凌阳…… 4.单片机的发展趋势 高度集成化：体积小、容量大 外部电路内装化：集成AD、DA及各种功能电路 低功耗：改进工艺，增加低功耗工作模式 引脚多功能化：减少引脚数量，扩展芯片应用范围 高性能：提高运算速度、增加抗干扰措施 芯片专业化：如电视机CPU、电度表IC等 5.单片机的应用 工业控制：如温度控制系统、液位调节系统 家用电器：如洗衣机、微波炉 智能仪器仪表：如分时电度表 办公自动化：如打印机、考勤机 商业营销：如电子秤、收款机 高科技：如ABS、通信系统 单片机应用系统组成 智能控制系统的构成 控制核心：模电、数电、单片机、CPLD 系统输入：输入机构（器件）、调理电路 系统输出：执行机构、驱动电路 单片机控制系统 最小系统：系统工作的基础电路 控制程序：确定系统的逻辑功能 单片机应用的学习方法 动手——总结——动手——总结…… 验证现有作品—>修改作品—>设计作品 根据结果反思系统中被改动部分功能 模块化的设计思想 自顶向下、自底向上、模块替换 强化硬件电路知识 一切电路都遵循电路基础 强化程序设计 系统只能按给定的逻辑工作 单片机学习的基础条件 知识基础 电路分析、元器件知识 数学、计算机操作、程序设计 技能基础 仪表使用、电子工艺 物质基础 计算机、仿真软件、实验板、下载线 学生作品 学生作品 学生作品 学生作品 电子计算机的问世及其经典结构 1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，标志着计算机时代的到来。 ENIAC 开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。 匈牙利科学家 冯·诺依曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想，构建了计算机经典结构： CPU 电子计算机经历了五个时代： 电子管计算机 晶体管计算机 集成电路计算机 大规模集成电路计算机 超大规模集成电路计算机 但是，计算机的结构仍然没有突破冯·诺依曼提出的计算机的经典结构框架 微处理器、存储器加上I/O接口电路组成微型计算机。 　　总线：我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。 微型计算机的应用形态 可以分为3种： 多板机（系统机） 家用PC、工业机 也属于多板机。 单板机 单片机: 集成了CPU、存储器、I/O接口电路的单芯片微型计算机。 三种应用形态的比较 ： 单板机 单片机 系统机（多板机） 计算机原始的设计目的是为了提高计算数据的速度和完成海量数据的计算。人们将完成这种任务的计算机称为通用计算机。 随着计算机技术的发展，人们发现了计算机在逻辑处理及工业控制等方面也具有非凡的能力。在控制领域，人们更多地关心计算机的低成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。特别是智能仪表、智能传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统要求将计算机嵌入到这些设备中。嵌入到控制系统中，实现嵌入式应用的计算机称为嵌入式计算机，也称为专用计算机。 系统机（桌面应用）属于通用计算机，主要用于数据处理、办公自动化及辅助设计。 单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等系统。 单片机体积小、价格低、可靠性高，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。 目前，单片机应用技术已经成为电子应用系统设计的最为常用的技术手段，学习和掌握单片机应用技术具有极其重要的现实意义。 单片机的发展过程 三个主要阶段： 单片机的形成阶段 1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机 。8位CPU、1K字节ROM、64字节RAM、27根I/O线和1个8位定时/计数器。 特点：存储器容量小，寻址范围小（不大于4K），无串行接口，指令系统功能不强。 特点是：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在，MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。 性能完善提高阶段 1980年，Intel公司推出了MCS-51系列单片机：8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、4个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 微控制器化阶段 特点：面向测控系统电路增强，使之可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 因此“微控制器”的称谓更能反应单片机的本质。 1982年，Intel推出MCS-96系列单片机。芯片内集成：16位CPU、8K字节ROM、232字节RAM、5个8位并口、1个全双工串行口、2个16位定时/计数器。寻址范围64K。片上还有8路10位ADC、1路PWM输出及高速I/O部件等。 ATMEL公司融入Flash存储器技术的AT89系列 Philips公司的80C51、80C552系列 华邦公司的W78C51、W77C51高速低价系列 ADI公司的ADμC8xx高精度ADC系列 LG公司的GMS90/97低压高速系列 Maxim公司的DS89C420高速（50MIPS）系列 Cygnal公司的C8051F系列高速SOC单片机 近年来，许多半导体厂商以MCS-51系列单片机的8051为内核，生产出了多种功能强大，使用灵活的采用CHMOS工艺（即互补金属氧化物的高密度短沟道工艺）的 80C51 系列单片机。 80C51系列产品繁多，形成主流，已推出的与80C51兼容的主要产品有： 因为80C51是单片机主流系列，所以本课程介绍51系列中最流行的，具有在线编程功能，并且完全兼容MCS-51系列的ATMEL公司的AT89S51单片机。 在80C51及其兼容产品流行的同时，一些单片机厂商近年来也推出了一些非80C51结构的产品，影响比较大的产品有： Intel的MCS-96系列16位单片机 Microchip的PIC系列RISC单片机 TI的MSP430F系列16位低功耗单片机 ATMEL公司推出的AVR系列RISC结构单片机等 单片机的特点 控制性能和可靠性高 可对I/O端口直接操作，位操作能力更是其它计算机无法比拟的。由于CPU、存储器及I/O接口集成在同一芯片内，数据在传送时受干扰的影响较小，且不易受环境条件的影响。 体积小、价格低、易于产品化 应用系统的印制板小、接插件少、安装简单方便。 在现代的各种电子器件中，单片机具有良好的性价比，这正是单片机得以广泛应用的重要原因。 单片机的应用领域 智能仪器仪表 机电一体化产品 实时工业控制 通信技术 家用电器 凡有按键控制、显示的设备都有单片机的身影。 单片机应用系统的开发 单片机自身没有开发功能，必须借助开发机来完成如下任务： 排除硬件故障和软件错误 程序固化到程序存储器芯片中。 正确的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成该目标的过程称为单片机应用系统的开发。 汇编或编译 汇编的源文件是汇编语言程序代码，汇编程序把汇编语言程序翻译成机器语言 编译的源文件是高级语言程序代码，编译程序把高级语言程序翻译成目标程序 现在常采用高级语言（如C51）进行单片机应用程序的设计。 在PC机中编辑好的高级语言源程序经过编译、连接后形成目标代码文件，并传送到单片机中。这种方法具有周期短、移植和修改方便的有点，适合于较为复杂系统的开发。 � ������� ��������� ��������� ������� � ������� � �� �� �� ��� � ������� � I/O����� � I/O����� � ��������AB� ��������DB� ��������CB� IBM ������� � $$